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IL FLUSSO DI NEUTRINI ATMOSFERICI E LA SUA COMPONENTE PROMPT. STUDIO DEL SUO IMPATTO NEL TELESCOPIO PER NEUTRINI ANTARES. Alessandro Bruno Relatori: Dr.

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1 IL FLUSSO DI NEUTRINI ATMOSFERICI E LA SUA COMPONENTE PROMPT. STUDIO DEL SUO IMPATTO NEL TELESCOPIO PER NEUTRINI ANTARES. Alessandro Bruno Relatori: Dr. Teresa MONTARULI Dr. Francesco CAFAGNA

2 14/12/2005 2Alessandro Bruno Schema della Tesi Studio dei atmosferici e, in particolare, della componente prompt; impatto nei telescopi per neutrini (fondo irriducibile). Studio dei atmosferici e, in particolare, della componente prompt; impatto nei telescopi per neutrini (fondo irriducibile). Generazione del flusso di (convenzionali e prompt) tramite tecniche Monte Carlo (FLUKA). Specializzazione della produzione per le alte energie. Generazione del flusso di (convenzionali e prompt) tramite tecniche Monte Carlo (FLUKA). Specializzazione della produzione per le alte energie. Scrittura di un software in C++ per l'esperimento ANTARES in grado di fornire flussi di neutrini atmosferici e astrofisici. Scrittura di un software in C++ per l'esperimento ANTARES in grado di fornire flussi di neutrini atmosferici e astrofisici.

3 14/12/2005 3Alessandro Bruno I Atmosferici Componente Convenzionale decadimento di e Componente Convenzionale decadimento di e domina per E < 10÷100 TeV domina per E < 10÷100 TeV Componente Prompt Componente Prompt decadimento di adroni charmati: decadimento di adroni charmati: D ±, D°, D°bar, D s ± e c + D ±, D°, D°bar, D s ± e c + prevale al di sopra di 100 TeV circa prevale al di sopra di 100 TeV circa La competizione fra il decadimento e linterazione delle particelle parenti è regolata dalla loro energia critica.

4 14/12/2005 4Alessandro Bruno Rapporto dei sapori sapori Il flusso non dipende da h Il flusso non dipende da h Flussi di e e prompt uguali Flussi di e e prompt uguali IsotropiaIsotropia Lo spettro segue landamento dei RC primari Lo spettro segue landamento dei RC primari DipendenzaenergeticaDipendenzaenergetica Altezza di produzione produzione I Neutrini Prompt: Peculiarità del Flusso DipendenzaangolareDipendenzaangolare

5 14/12/2005 5Alessandro Bruno Il Flusso di Prompt: Riassunto Caratteristiche Diverso rapporto di sapori Diverso rapporto di sapori Diversa dipendenza angolare Diversa dipendenza angolare Diversa dipendenza energetica Diversa dipendenza energetica

6 14/12/2005 6Alessandro Bruno I Neutrini Prompt Motivazioni dello Studio Sezione durto di produzione di charm Sezione durto di produzione di charm Funzione di distribuzione dei partoni Funzione di distribuzione dei partoni Fondo per gli studi sulle oscillazioni dei Fondo per gli studi sulle oscillazioni dei Fondo per i telescopi di neutrini Fondo per i telescopi di neutrini

7 14/12/2005 7Alessandro Bruno Il Flusso di Leptoni Prompt: Ingredienti del Calcolo Modelli adronici produzione charm Modelli adronici produzione charm (RQPM, QGSM, pQCD) (RQPM, QGSM, pQCD) INCERTEZZA SUL VALORE INCERTEZZA SUL VALORE DELLENERGIA DI CROSSOVER Altri fattori: Calcolo degli sciami atmosferici Calcolo degli sciami atmosferici Modello dellatmosfera Modello dellatmosfera necessità di estrapolare i dati degli acceleratori !!! Spettro e composizione dei RC primari Spettro e composizione dei RC primari

8 14/12/2005 8Alessandro Bruno FLUKA Monte Carlo Codice di interazione e trasporto Codice di interazione e trasporto largamente usato in HEP, medicina, spazio,... largamente usato in HEP, medicina, spazio,... (60 part., E max =10 PeV, geometria, molti benckmark) (60 part., E max =10 PeV, geometria, molti benckmark) Modelli adronici usati: Modelli adronici usati: PEANUT: fino a 5 GeV (risonanze) PEANUT: fino a 5 GeV (risonanze) Dual Parton Model: fino a decine di TeV Dual Parton Model: fino a decine di TeV (QCD non perturbativa) (QCD non perturbativa) DPMJET: fino a 10 PeV (hard+soft, pQCD) DPMJET: fino a 10 PeV (hard+soft, pQCD)

9 14/12/2005 9Alessandro Bruno utilizzo di un nuovo fit, presentato allICRC2005, per risolvere le problematiche legate al deficit nei flussi di neutrini di alta energia (>100 GeV) riscontrato nel precedente calcolo FLUKA: Set-up di Simulazione Il Nuovo Spettro dei RC Primari -25% normalizzazione difficile !!!

10 14/12/ Alessandro Bruno FLUKA: Set-up di Simulazione Il Nuovo Spettro dei RC Primari Nuovo All Particle Spectrum Nuovo All Particle Spectrum inclusione del ginocchio (dipendente dalla carica): inclusione del ginocchio (dipendente dalla carica): E Z,knee /nucleone = Z × 3000 TeV / A E Z,knee /nucleone = Z × 3000 TeV / A

11 14/12/ Alessandro Bruno FLUKA Set-up di Simulazione Estensione dei precedenti limiti energetici Estensione dei precedenti limiti energetici (da 100 GeV a 10 6 GeV per i primari) (da 100 GeV a 10 6 GeV per i primari) Modello atmosfera isoterma in 100 shell Modello atmosfera isoterma in 100 shell (miscela di N, O ed Ar; descrizione simmetrica) (miscela di N, O ed Ar; descrizione simmetrica) Selezione di µ, e e, convenzionali e prompt Selezione di µ, e e, convenzionali e prompt

12 14/12/ Alessandro Bruno FLUKA: Produzione ed Analisi dei Dati più di 80 milioni di RC primari generati notevole sforzo computazionale !!! notevole sforzo computazionale !!! Produzione divisa per basse (primari: 0.5÷10 5 GeV) ed Produzione divisa per basse (primari: 0.5÷10 5 GeV) ed alte energie (primari: 10 ÷10 6 GeV, DPMJET) alte energie (primari: 10 ÷10 6 GeV, DPMJET) Catene di produzione statisticamente indipendenti Catene di produzione statisticamente indipendenti Circa 2000 file da gestire Circa 2000 file da gestire Somma di produzioni statisticamente omogene (riduzione della produzione in pochi file per ogni componente) Somma di produzioni statisticamente omogene (riduzione della produzione in pochi file per ogni componente) Automatizzazione delle operazioni (script per la shell bash di LINUX) Automatizzazione delle operazioni (script per la shell bash di LINUX) Conversione in file di ROOT contenenti istogrammi ed alberi (Tree) con la statistica finale: analisi dei dati Conversione in file di ROOT contenenti istogrammi ed alberi (Tree) con la statistica finale: analisi dei dati Fit degli istogrammi somma e salvataggio dei parametri per NF Fit degli istogrammi somma e salvataggio dei parametri per NF

13 14/12/ Alessandro Bruno I Flussi di FLUKA e flutot: 0.5 ÷ 10 5 GeV dpmjet2: 10 ÷ 10 6 GeV

14 14/12/ Alessandro Bruno I Telescopi per Neutrini Principi e Tecniche di Rivelazione Grande volume sensibile Grande volume sensibile (esiguità flusso e piccola ) (esiguità flusso e piccola ) Interazioni di neutrini Interazioni di neutrini ( indotti per CC da dal basso) ( indotti per CC da dal basso) Effetto Cherenkov Effetto Cherenkov I fondi fisici I fondi fisici ( dallalto e atmosferici dal basso) ( dallalto e atmosferici dal basso) ed ottici ed ottici (decadimento del 40 K, bioluminescenza, sedimentazioni) (decadimento del 40 K, bioluminescenza, sedimentazioni)

15 14/12/ Alessandro Bruno Il Telescopio ANTARES 12 stringhe (ognuna con 75 moduli ottici (PMT) e un contenitore per lelettronica) 12 stringhe (ognuna con 75 moduli ottici (PMT) e un contenitore per lelettronica) Sistemi per la calibrazione temporale (sistema di clock, LED beacon e laser beacon) Sistemi per la calibrazione temporale (sistema di clock, LED beacon e laser beacon) Sistemi per la calibrazione spaziale (tiltometri, compassi, acoustic beacon, GPS) Sistemi per la calibrazione spaziale (tiltometri, compassi, acoustic beacon, GPS) Linea di strumentazione (monitoraggio ambiente) Linea di strumentazione (monitoraggio ambiente) Cavo elettro-ottico (40 km) Cavo elettro-ottico (40 km) Risoluzione angolare 0.2° sopra 10 TeV Risoluzione angolare 0.2° sopra 10 TeV Area efficace per i 0.1 Km 2 Area efficace per i 0.1 Km 2 Sensibilità < 7.8 × E -2 GeV -1 cm -2 s -1 sr -1 (1 anno), < 3.9 × E -2 GeV -1 cm -2 s -1 sr -1 (3 anni) Sensibilità < 7.8 × E -2 GeV -1 cm -2 s -1 sr -1 (1 anno), < 3.9 × E -2 GeV -1 cm -2 s -1 sr -1 (3 anni) PRESTAZIONI DAVANGUARDIA

16 14/12/ Alessandro Bruno ANTARES: La Catena di Simulazione Generazione delle interazioni dei GENHEN) Generazione delle interazioni dei GENHEN) Propagazione dei secondari (MUSIC) Propagazione dei secondari (MUSIC) Simulazione della luce Cherenkov emessa e risposta del rivelatore a tale radiazione (KM3, GEASIM) Simulazione della luce Cherenkov emessa e risposta del rivelatore a tale radiazione (KM3, GEASIM) Ricostruzione delle tracce a partire dei segnali misurati dai PMT (RECO) Ricostruzione delle tracce a partire dei segnali misurati dai PMT (RECO)

17 14/12/ Alessandro Bruno La Classe NeutrinoFlux Generatore di flussi di neutrini Generatore di flussi di neutrini (atmosferici ed astrofisici) (atmosferici ed astrofisici) Caratteristiche del codice Caratteristiche del codice (scritto in C++, facilità di utilizzo e duttilità, rende immediatamente utilizzabile la produzione di FLUKA, …) (scritto in C++, facilità di utilizzo e duttilità, rende immediatamente utilizzabile la produzione di FLUKA, …) Interfaccia al software di ANTARES Interfaccia al software di ANTARES (già presentata alla Collaborazione, la classe è destinata a diventare parte integrante del codice dellesperimento: GENHEN) (già presentata alla Collaborazione, la classe è destinata a diventare parte integrante del codice dellesperimento: GENHEN)

18 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: Generalità Flussi differenziali (GeV -1 s -1 sr -1 cm -2 ) Flussi differenziali (GeV -1 s -1 sr -1 cm -2 ) o integrati sull angolo (GeV -1 s -1 cm -2 ) o integrati sull angolo (GeV -1 s -1 cm -2 ) atmosferici atmosferici (3 modelli di convenzionali, 11 modelli di prompt) (3 modelli di convenzionali, 11 modelli di prompt) astrofisici astrofisici (7 modelli di flusso da AGN, 8 da GRB, (7 modelli di flusso da AGN, 8 da GRB, 3 limiti teorici superiori sul flusso) 3 limiti teorici superiori sul flusso) Modello della classe scelto al momento della creazione di questa attraverso i costruttori: Modello della classe scelto al momento della creazione di questa attraverso i costruttori: NeutrinoFlux::NeutrinoFlux(string model, string modelPrompt) NeutrinoFlux::NeutrinoFlux(string model, string modelPrompt) NeutrinoFlux::NeutrinoFlux(int modelAstro) NeutrinoFlux::NeutrinoFlux(int modelAstro)

19 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: i Atmosferici Fit degli spettri originali: Fit degli spettri originali: funzione polinomiale 2D di 5° grado in (log(E), cos ): funzione polinomiale 2D di 5° grado in (log(E), cos ): Salvataggio dei parametri Salvataggio dei parametri in apposite tabelle in apposite tabelle

20 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: i Atmosferici

21 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: i Astrofisici NeutrinoFlux: Parametri del Costruttore Flux model int modelAstro int modelAstro WB98_bound_noevo l 1 WB98_bound_evol2 MPR983 M95_loud_A4 M95_loud_B5 M986 H98_AGN7 HZ978 P969 AD0110 WB98_GRB11 W00_reverse12 W00_forward13 W00_sum14 AHH0015 H98_GRB16 HH9917 PFWB0018 G01_internal19 G01_reverse20 User_diffuse1000 User_point2000 Fit dei flussi Fit dei flussi somma leggi di potenza: somma leggi di potenza: a×E b + c×E d + … a×E b + c×E d + … Formato tabelle Formato tabelle per ogni modello lintervallo energetico e i parametri sono salvati in file secondo il formato: per ogni modello lintervallo energetico e i parametri sono salvati in file secondo il formato: E min (GeV) E max (GeV) n. di param. A B C D E min (GeV) E max (GeV) n. di param. A B C D E min (GeV) E max (GeV) n. di param. E F ……….. Possibilità di implementare modelli da parte dellutente Possibilità di implementare modelli da parte dellutente

22 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: i Astrofisici

23 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: lInterfaccia a GENHEN Permette lutilizzo della classe nel software di ANTARES: selezione flussi attraverso nuove data card Permette lutilizzo della classe nel software di ANTARES: selezione flussi attraverso nuove data card Scritta in C++ Scritta in C++ Uso di wrapper (ambiente misto: F77 e C++) Uso di wrapper (ambiente misto: F77 e C++) Uso delle librerie g2c per la compilazione Uso delle librerie g2c per la compilazione (ambiente misto) (ambiente misto) Sostituisce la vecchia funzione atmflux_new( ) di GENHEN Sostituisce la vecchia funzione atmflux_new( ) di GENHEN axl_flux( )

24 14/12/ Alessandro Bruno Il Flusso di Neutrini in ANTARES Catena simulazione completa !!!

25 14/12/ Alessandro Bruno Catena simulazione completa !!! Il Flusso di Neutrini in ANTARES

26 14/12/ Alessandro Bruno Il Flusso di Neutrini in ANTARES Catena simulazione completa !!!

27 14/12/ Alessandro Bruno Conclusioni Estensione dei limiti energetici nella simulazione del flusso di atmosferici con FLUKA, utilizzo di un nuovo spettro dei primari ed inclusione della componente prompt Estensione dei limiti energetici nella simulazione del flusso di atmosferici con FLUKA, utilizzo di un nuovo spettro dei primari ed inclusione della componente prompt Creazione di un codice in C++ per una valutazione semplice ed immediata dei flussi di atmosferici ed astrofisici; integrazione del codice nel software di ANTARES Creazione di un codice in C++ per una valutazione semplice ed immediata dei flussi di atmosferici ed astrofisici; integrazione del codice nel software di ANTARES Simulazione completa della rivelazione di atmosferici (convenzionali e prompt) in ANTARES Simulazione completa della rivelazione di atmosferici (convenzionali e prompt) in ANTARES

28 14/12/ Alessandro Bruno

29 14/12/ Alessandro Bruno LAstronomia dei Neutrini Caratteristiche Caratteristiche (proprietà di puntamento direzionale e orizzonte di osservabilità) (proprietà di puntamento direzionale e orizzonte di osservabilità) Motivazioni Motivazioni (conferme Big Bang, unificazione forze fondamentali, materia oscura, processi adronici alla sorgente,...) (conferme Big Bang, unificazione forze fondamentali, materia oscura, processi adronici alla sorgente,...) Sorgenti astrofisiche di neutrini Sorgenti astrofisiche di neutrini (microquasar, supernova remnants, AGN, GRB, …) (microquasar, supernova remnants, AGN, GRB, …) Collegamento con lastronomia gamma Collegamento con lastronomia gamma (produzione negli stessi siti, stessa forma e normalizzazione (produzione negli stessi siti, stessa forma e normalizzazione degli spettri) degli spettri) Telescopi per neutrini Telescopi per neutrini (grande volume sensibile (dellordine del km 3 ), uso di radiatori (grande volume sensibile (dellordine del km 3 ), uso di radiatori Cherenkov naturali) Cherenkov naturali)

30 14/12/ Alessandro Bruno I Atmosferici: Ingredienti del Calcolo Spettro e composizione dei RC primari Spettro e composizione dei RC primari Produzione e sviluppo di cascate atmosferiche Produzione e sviluppo di cascate atmosferiche Interazione e propagazione dei secondari Interazione e propagazione dei secondari

31 14/12/ Alessandro Bruno Canali per la Rivelazione di Neutrini Prompt Neutrini prompt dal basso Neutrini prompt dal basso (muoni indotti per CC sotto il rivelatore) (muoni indotti per CC sotto il rivelatore) Muoni prompt dall'alto Muoni prompt dall'alto (uguaglianza dei flussi di e al livello del mare) (uguaglianza dei flussi di e al livello del mare) Sciami indotti da prompt dall'alto Sciami indotti da prompt dall'alto (interazioni di CC da parte di e ) (interazioni di CC da parte di e )

32 14/12/ Alessandro Bruno ANTARES: Copertura di Cielo 3.5 sr 3.5 sr (annuale) (annuale) 1.5 sr 1.5 sr (annuale, in comune con AMANDA) (annuale, in comune con AMANDA) 0.5 sr 0.5 sr (istantanea, in comune con AMANDA) (istantanea, in comune con AMANDA)

33 14/12/ Alessandro Bruno ANTARES: Prestazioni davanguardia Risoluzione angolare Risoluzione angolare 0.2° sopra 10 TeV 0.2° sopra 10 TeV Area efficace per i Area efficace per i e per i µ e per i µ area attiva di rivelazione area attiva di rivelazione 0.1 km km 2 Sensibilità Sensibilità < 7.8 × E -2 GeV -1 cm -2 s -1 sr -1 (1 anno) (1 anno) < 3.9 × E -2 GeV -1 cm -2 s -1 sr -1 (3 anni) (3 anni)

34 14/12/ Alessandro Bruno FLUKA: Accuratezza dei modelli adronici Validazione con i dati sperimentali Validazione con i dati sperimentali (muoni atmosferici [CAPRICE], interazioni p-Be, produzione di charm) (muoni atmosferici [CAPRICE], interazioni p-Be, produzione di charm)

35 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: Uso della Classe Costruttori: Costruttori:NeutrinoFlux(); NeutrinoFlux(string model, string modelPrompt); NeutrinoFlux(string model); NeutrinoFlux(int modelAstro); Lettura dei parametri del fit: Lettura dei parametri del fit: void ReadParConv(string model); void ReadParPrompt(string modelPrompt); void ReadParAstro(string modelname); void ReadParMu(string model);

36 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: Uso della Classe Flusso differenziale (GeV -1 s -1 sr -1 cm -2 ) Flusso differenziale (GeV -1 s -1 sr -1 cm -2 ) double FluxConv(int neut_type, double E_neut, double costheta) const; double FluxPrompt(int neut_type, double E_neut, double costheta) const; double FluxAtmo(int neut_type, double E_neut, double costheta) const; double FluxAstro(double E_neut) const; Flusso integrato sullangolo (GeV -1 s -1 cm -2 ) Flusso integrato sullangolo (GeV -1 s -1 cm -2 ) double FluxConvInt(int neut_type, double E_neut) const; double FluxPromptInt(int neut_type, double E_neut) const; double FluxAtmoInt(int neut_type, double E_neut) const;

37 14/12/ Alessandro Bruno NeutrinoFlux: lInterfaccia a GENHEN Se FLUXTAG(1)=8 axl_flux( ) Se FLUXTAG(1)=8 axl_flux( ) FLUXPAR(1) = tipo di flusso: FLUXPAR(1) = tipo di flusso: 1 flusso convenzionale soltanto 1 flusso convenzionale soltanto 2 flusso prompt soltanto 2 flusso prompt soltanto 3 flusso atmosferico totale 3 flusso atmosferico totale 4 flusso astrofisico 4 flusso astrofisico FLUXPAR(2) = FLUXPAR(2) = modello convenzionale: modello convenzionale: 1 Bartol Bartol Honda Honda Fluka Fluka 2005 Se FLUXPAR(1) = 4, Se FLUXPAR(1) = 4, FLUXPAR(2) = modello di flusso FLUXPAR(2) = modello di flusso astrofisico (pag. 28) astrofisico (pag. 28) FLUXPAR(3) = modello di prompt: FLUXPAR(3) = modello di prompt: 1 naumov_rqpm 1 naumov_rqpm 2 naumov_qgsm 2 naumov_qgsm 3 martin_kms 3 martin_kms 4 martin_mrs 4 martin_mrs 5 martin_gbw 5 martin_gbw 6 pQCD_opt 6 pQCD_opt 7 pQCD_pes 7 pQCD_pes 8 RQPM_pes 8 RQPM_pes 9 RQPM_opt 9 RQPM_opt 10 QGSM_pes 10 QGSM_pes 11 QGSM_opt 11 QGSM_opt


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